Лабораторная работа 2.1 Исследование затянутого болтового соединения

Цель работы определение зависимости осевой силы от момента завинчивания гайки, определение коэффициента трения в резьбе и в опорной поверхности гайки, экспериментальное определение соотношений эквивалентных и нормальных напряжений в затянутых болтах.

Краткие теоретические сведения

Из всех видов неподвижных соединений деталей наибольшее распространение в машиностроении получили резьбовые [1, 2, 3].

Крепежным элементом резьбовых деталей (болтов, шпилек, винтов, гаек) является резьба. Все крепежные резьбы стандартизованы. Основные параметры резьбы: наружный диаметр d, внутренний диаметр d₁, средний диаметр d₂ болта, шаг резьбы p и угол профиля α, который у метрической треугольной резьбы равен 60⁰. В России крепежной резьбой является метрическая с крупным шагом и измельченным шагом при одном и том же наружном диаметре резьбы.

Данные параметров метрических резьб с наружным диаметром от 12 до 20 мм приведены в табл. 2.1 (выборка из ГОСТа).

Механические характеристики сталей, являющихся материалом деталей резьбовых соединений общего назначения, приведены в табл. 2.2. В процессе сборки соединений большинство болтов подвергается предварительной затяжке. Производится контроль величины затяжки в ответственных соединениях при недостаточной величине затяжки и при избыточной величине затяжки.

Связь осевого усилия в болте F₃ – величины затяжки – и момента завинчивания T_зав следующая:

для создания в болте осевого усилия F₃ к гайке при помощи ключа прикладывается момент завинчивания Т_зав, преодолевающий момент сил трения в резьбе Т_р, и момент сил трения в опорной поверхности гайки Т_т:

. (1)

По известной теории механики, учитывающей силы трения, ползун находится в равновесии, если равнодействующая R внешних сил отклонена от нормали n-n на угол трения φ. В нашем случае внешними являются осевая сила F₃ и окружная сила F_t, которая определяется по формулам

, .

Далее вычисляют момент трения в резьбе

, (2)

где ψ – угол подъема резьбы, φ – угол трения для материала винта и гайки; d₂ – средний диаметр резьбы; F_з – сила затяжки болта.

Момент сил трения в резьбе тр

Момент сил трения в резьбе определим, рассматривая гайку как ползун, поднимающийся по виткам резьбы по наклонной плоскости (рис.2.1).

Рис. 2.1. Схема сил в винтовой паре

Так как угол профиля витка метрической резьбы α = 60, то угол трения φ в полученном выражении (2) следует заменить приведенным углом трения φ'

, (3)

где .

Следовательно, момент трения в резьбе

. (4)

Примечание. На рис. 2.1 показана схема сил в винтовой паре, где сила трения обозначена R_f.

Таблица 2.1

Резьба метрическая (ГОСТ 9150-81)

Диаметр наружный, мм	Шаг р, мм	Диаметры		Площадь , мм^2	Угол подъема резьбы
		средний d2, мм	внутренний d1, мм
12	1,75 1,5 1,0	10,863 11,026 11,350	10,106 10,376 10,918	80,17 84,51 93,57	255 228 136
14	2,0 1,5 1,0	12,701 13,026 13,350	11,836 12,376 12,918	109,95 120,23 131,00	252 206 122
16	2,0 1,5 1,0	14,701 15,026 15,350	13,835 14,376 14,918	150,25 162,23 174,70	228 149 111
18	2,5 2,0 1,5	16,376 16,701 17,025	15,294 15,835 16,376	183,60 196,80 210,50	247 211 136
20	2,5 2,0 1,5 1,0	18,376 18,701 19,026 19,350	17,294 17,835 18,376 18,918	234,80 249,70 265,00 281,00	229 207 126 057

Таблица 2.2